采用DCS和FCS相結(jié)合的自動(dòng)化系統(tǒng)在黃金選礦廠中的應(yīng)用

倉冰南,王俊鵬,李云慶,王一兵

（1.北京礦冶研究總院；礦冶過程自動(dòng)控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102600；

2.山東黃金礦業(yè)（萊西）有限公司,山東 萊西 266613）

采用DCS和FCS相結(jié)合的自動(dòng)化系統(tǒng)在黃金選礦廠中的應(yīng)用

倉冰南1,王俊鵬1,李云慶2,王一兵2

（1.北京礦冶研究總院；礦冶過程自動(dòng)控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102600；

2.山東黃金礦業(yè)（萊西）有限公司,山東 萊西 266613）

摘要：北京礦冶研究總院采用DCS和FCS相結(jié)合的方式搭建了黃金選礦廠自動(dòng)化系統(tǒng)。DCS相較FCS調(diào)試方便，故障排查更直觀，對(duì)維護(hù)人員技術(shù)要求不高，不會(huì)由于某臺(tái)設(shè)備故障導(dǎo)致一系列設(shè)備失去控制；但FCS由于采用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，相比DCS更節(jié)約電纜，施工更簡單且設(shè)備可集成信息量更大。北京礦冶研究總院對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的控制采用DCS方式，而對(duì)設(shè)備信號(hào)集成采用FCS方式，保證了自動(dòng)化系統(tǒng)在控制可靠性的前提下充分利用了FCS的技術(shù)優(yōu)越性，可達(dá)到技術(shù)先進(jìn)性和控制可靠性之間的平衡。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）；分布式控制系統(tǒng)（DCS）；黃金選礦廠；自動(dòng)化

1　前言

山東黃金礦業(yè)（萊西）有限公司采選1000t/d選礦廠全流程自動(dòng)化系統(tǒng)工程由北京礦冶研究總院負(fù)責(zé)工程總承包。工程內(nèi)容包括破碎篩分、磨礦浮選、精礦濃密脫水、尾礦輸送等內(nèi)容，在選礦磨浮廠房設(shè)有中央控制室（以下簡稱中控室），將上述幾部分內(nèi)容的主要設(shè)備運(yùn)行情況、工藝過程參數(shù)等數(shù)據(jù)送到中央控制室，中控室根據(jù)生產(chǎn)狀況和要求對(duì)工藝參數(shù)和工藝過程進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制。

2　黃金選礦廠工藝流程概述

山東黃金礦業(yè)（萊西）有限公司1000噸/日采選工程，其選礦流程由破碎、磨礦、浮選和濃縮過濾等工藝流程組成，產(chǎn)品為金精礦。選礦廠全廠工藝流程如圖1所示。

3　黃金選礦廠自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 DCS技術(shù)概述

圖1　工藝流程圖

自 1975 年 Honeywell 公司推出的 TDC2000 集散控制系統(tǒng)以來,集散控制系統(tǒng)在近 30 年的發(fā)展過程中逐步完善、成熟,20 世紀(jì)八、九十年代在控制領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位。其基本思想是分散控制集中管理。集散控制系統(tǒng)具有控制功能多樣、操作簡便、維護(hù)方便、可靠性高、便于與其他計(jì)算機(jī)聯(lián)用等優(yōu)點(diǎn)。但是DCS 系統(tǒng)基本上是采用一對(duì)一連線,4～20mA （或0～10V）模擬信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與控制, 致使設(shè)備與設(shè)備之間、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與外界之間無法進(jìn)行信息交流,在一定程度上成為“信息孤島”[1]。

3.2FCS技術(shù)概述

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）技術(shù)是將專用微處理器植入傳統(tǒng)的儀表或IO模塊,使它們各自都具有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力,采用專用的通訊總線電纜把它們聯(lián)結(jié)在一起,使它們彼此或它們和計(jì)算機(jī)間具備交換相應(yīng)信息和傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)的能力[2]。不同于DCS傳統(tǒng)的IO單元和控制站，F(xiàn)CS將DCS各控制站的功能塊分散到了各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，用戶可以對(duì)各個(gè)功能塊統(tǒng)一選擇并進(jìn)行硬件組態(tài)，這就實(shí)現(xiàn)更加徹底的分散控制。[3-5]但由于FCS中各設(shè)備均通過若干總線進(jìn)行連接，一旦某個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障就極有可能影響整條總線通訊導(dǎo)致整條總線上的設(shè)備均失去控制。此外，F(xiàn)CS系統(tǒng)出現(xiàn)故障后排查起來不直觀，對(duì)于維護(hù)人員的技術(shù)要求也更高。

3.3黃金選礦廠自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

山東黃金萊西選礦廠全流程自動(dòng)化系統(tǒng)工程采用了DCS和FCS相結(jié)合的自動(dòng)化系統(tǒng)搭建方式，車間低壓電氣設(shè)備的控制采用DCS方式集成，而更多信號(hào)信息集成則采用FCS方式集成。根據(jù)車間地理位置設(shè)置2臺(tái)PLC主站，破碎段設(shè)置1臺(tái)GE RX-3i的PLC作為破碎段主站，置于破碎車間動(dòng)力中心內(nèi)；磨礦浮選段設(shè)置1臺(tái)GE RX- 7i的PLC作為磨浮段控制主站，置于中央控制室電子間內(nèi)。全廠同樣根據(jù)車間地理位置為依據(jù)設(shè)置2個(gè)段級(jí)操作控制室，即破碎段自動(dòng)化控制室、磨浮段自動(dòng)化控制室（中控室），磨浮段自動(dòng)化控制室暨全廠中控室，集成全廠自動(dòng)化信息。為了保證自動(dòng)化的可靠性，將較重要的磨浮主站配置為冗余結(jié)構(gòu)。各PLC之間以及控制室之間通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行連接。

2個(gè)CPU主站中的數(shù)據(jù)均進(jìn)入布置于中控室冗余配置的DAServer（數(shù)據(jù)采集服務(wù)器）里。操作員站通過DAServer接收PLC集成的車間數(shù)據(jù)并對(duì)PLC給出控制命令。破碎段、磨浮段的自動(dòng)化控制由放置于破碎段自動(dòng)化控制室、磨浮段中控室內(nèi)的操作員站分別進(jìn)行處理。破碎段自動(dòng)化控制室和磨浮段中央控制室之間利用以太網(wǎng)進(jìn)行連接構(gòu)成全廠的管理網(wǎng)絡(luò)。

由于磨礦和浮選車間段包含較多設(shè)備，因此除CPU主站外還設(shè)置有2臺(tái)IO從站，組成主—從站PLC控制系統(tǒng)。由于高位水IO站距離主站距離較遠(yuǎn)，因此采用光纖連接，通過光纖終端盒、跳線、帶光口交換機(jī)等實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，最終將該從站和主站連接起來。圖2為該黃金選礦廠自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)示意圖。

3.4 黃金選礦廠自動(dòng)化系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)儀表選型

由于各車間檢測(cè)和控制點(diǎn)不是很多，因此我方均選用了提供4-20mA信號(hào)接口的儀表。為保證電氣控制的穩(wěn)定性和便于排查故障，車間內(nèi)各常規(guī)低壓電氣設(shè)備集成均采用硬接線方式進(jìn)行控制；為盡可能多讀取設(shè)備信息，且各常規(guī)低壓電氣設(shè)備控制柜均集中布置于各車間低壓配電室中，因此各常規(guī)低壓電氣設(shè)備信息讀取均采用總線方式集成，本項(xiàng)目采用Modbus-RTU總線方式進(jìn)行集成。除了各種檢測(cè)和控制儀表和車間常規(guī)低壓電氣設(shè)備外，各車間還有一些第三方設(shè)備需要集成到自動(dòng)化系統(tǒng)中來，這些設(shè)備很多提供DP通訊接口。我方可從設(shè)備通訊模塊的DP接口上通過接入DP通訊插頭將其掛在Pro fi bus DP現(xiàn)場(chǎng)總線上連接到PLC中進(jìn)行信號(hào)集成與控制。

綜上所述，各車間現(xiàn)場(chǎng)儀表、低壓電器設(shè)備和第三方設(shè)備與PLC系統(tǒng)的通訊方式主要分為3類，即Pro fi bus DP、Modbus rtu以及硬接線等3類。我方的控制系統(tǒng)選用了國際上先進(jìn)的GE RX系列PLC。其中DP通訊選用GE 的Pro fi bus DP主通訊模塊，Modbus通訊則選用GE專用的Mobus rtu主站通訊模塊，除此之外，選型時(shí)還需選用GE的DI、DO模塊及AI、AO模塊。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)儀表距離IO站較遠(yuǎn)，超出通訊電纜長度限制的情況，還需在現(xiàn)場(chǎng)儀表側(cè)設(shè)計(jì)控制箱用來放置OLM模塊，同時(shí)在從站上亦應(yīng)加裝OLM模塊，DP通訊電纜首先連入OLM模塊，兩個(gè)OLM模塊之間再通過光纖實(shí)現(xiàn)長距離信號(hào)傳輸。某CPU站控制系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)見下表。

4　結(jié)語

本項(xiàng)目采用DCS和FCS技術(shù)相結(jié)合的方式搭建了山東黃金萊西選礦廠自動(dòng)化系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)相較FCS系統(tǒng)調(diào)試方便，出現(xiàn)故障排查起來也更加直觀，同時(shí)對(duì)于選礦廠技術(shù)人員來說維護(hù)也比較容易；此外，DCS系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)FCS系統(tǒng)中由于某一臺(tái)或幾臺(tái)設(shè)備故障從而導(dǎo)致全廠總線網(wǎng)絡(luò)癱瘓而影響生產(chǎn)的情況。但是FCS系統(tǒng)由于采用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，相比較DCS系統(tǒng)更加節(jié)約電纜，施工更簡單且可以集成信息量更大[3]。因此，我們對(duì)于關(guān)鍵的影響生產(chǎn)的低壓電氣設(shè)備的控制采用DCS控制方式，而對(duì)于相對(duì)來說次重要的低壓電氣設(shè)備的更多信號(hào)信息讀取則采用FCS方式進(jìn)行集成，在充分節(jié)約電纜、減少施工量的前提下集成盡可能多的設(shè)備信號(hào)信息。這就在保證了自動(dòng)化系統(tǒng)在控制可靠性的前提下充分利用了FCS系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)越性，達(dá)到了技術(shù)先進(jìn)性和可靠性之間的平衡。

圖2　自動(dòng)化架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)示意圖

某控制系統(tǒng)CPU站設(shè)計(jì)選型表

綜上，在規(guī)模適中且可靠性要求較高的工業(yè)場(chǎng)合，DCS系統(tǒng)仍然具有較強(qiáng)的生命力，采用DCS和FCS技術(shù)相結(jié)合的方式搭建自動(dòng)化系統(tǒng)可更好地達(dá)到技術(shù)可靠性和先進(jìn)性之間的平衡。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：倉冰南（1985—），男，遼寧沈陽人，碩士，工程師，國家一級(jí)建造師，主要從事：礦冶自動(dòng)化工程技術(shù)工作。